Квантов скок: Учените от IBM полагат основите на практичен, мащабируем квантов компютър

Anonim

Квантов скок: Учените от IBM полагат основите на практичен, мащабируем квантов компютър

Квантово изчисление

Дарио Боргино

30 април 2015 г.

2 снимки

Първият работещ квантов компютър може да бъде много по-близо до реалността благодарение на два важни постижения от изследователи в IBM (Photo: IBM)

Учените от IBM са представили два важни постижения в създаването на практичен квантов компютър: ефективен начин за откриване и коригиране на квантовите грешки, както и проектирането на силиконов чип, който може да се мащабира, за да приюти голям брой заплетени квантови бита.

Силата на квантовото изчисление

Транзисторите в класическите компютри могат да се свият досега. Сегашното поколение транзистори е с размери 14 нанометра, което означава, че само около тридесет силициеви атома се побират между транзистор "източник " и "източване ", двата края на електронния превключвател. Щом този брой се намали до около четири или пет силициеви атоми, несигурността, предизвикана от квантовата механика, ще направи невъзможно функционирането на подобен превключвател. Електроните ще скачат спонтанно и произволно от единия край на другия по непредвидим начин, създавайки ток дори когато превключвателят е изключен.

Идеята, която стои зад квантовите компютри - за пръв път, изтъкнато от Ричард Файнман през 1981 г. - е да се използват квантовите ефекти, а не да се разглеждат като пречка. Това се прави не чрез изграждане на по-напреднал транзистор, а вместо това чрез използване на много по-голям потенциал на квантова информация.

В странния и прекрасен свят на квантовото изчисление квантов бит или qubit може да приеме две стойности (0 и 1) едновременно. Когато две или повече qubits са свързани в специално "заплетено " състояние, тази собственост се разширява и мощността на qubits нараства експоненциално. Десет напълно заплетени qubits ще могат да съхраняват толкова информация, колкото 1, 024 класически бита; 33 qubits може да съхранява един гигабайт; и 300 напълно заплетени qubits ще съхраняват толкова много класически бита, колкото атомите във вселената.

Съществено, въпреки че информацията, която qubits съдържа, нараства експоненциално, ние все още бихме могли да го манипулираме, като използваме няколко операции, които са функция на полинома на броя на qubits. С други думи - експоненциални ускорения, в много буквален смисъл.

Квантовият компютър не би бил универсално по-бърз за всеки алгоритъм, но би показал експоненциални ускорения за търсене и манипулиране на големи данни, извършване на криптография на данни, анализиране на сгъването на протеини, за проектиране на по-добри лекарства, симулиране на ранната Вселена и осигуряване на много по-точна прогноза за времето, сред много други неща.

Qubits са фини

Успехът ни в създаването на практичен квантов компютър до голяма степен ще зависи от способността ни да запазим всички qubits в много деликатно заплетено състояние и да поправим грешките ефективно и надеждно.

Данните, изтеглени от интернет или съхранявани на нашите твърди дискове, преминават през алгоритми, които откриват и коригират така наречените "bit flips", които се случват, когато малко погрешно променят стойността си от 1 на 0 или обратно.

Грешките се случват много рядко при класическите изчисления, но те са основен проблем за квантовия компютър. Заплетените qubits са много по-деликатни и могат да бъдат силно засегнати от малки промени в температурата и електромагнитното излъчване. Квантовите битове също са подложени на обръщане на бита, но те добавят към това друго измерение на възможните грешки, наричано "фазово обръщане", което влияе върху начина, по който държавите са заплетени. За да направим нещата още по-лоши, актът на четене на qubit, за да го коригира, срива своето квантово състояние в 0 или 1.

Досега изследователите са имали възможност да се занимават или с битки или с фаза, но никога и двамата по едно и също време.

Коригиране на грешките

В това, което може да бъде много важен напредък в света на квантовото изчисление, изследователите на IBM вече са открили начин да открият и двата вида квантови грешки в същото време и са демонстрирали напредъка си върху действителния чип с четири цикъла, който са създали.

Веригата се основава на квадратна решетка от четири свръхпроводящи qubits на чип, който е с размери едва една четвърт от инча (6 мм). Qubits са разделени на две qubits на данните, които носят актуалната информация, и два така наречените "синдром qubits, ", които са независими (не заплетени) и извършват проверката на грешките при двете qubits на данни.

Има много добра причина квазиците да бъдат поставени в матрица. За да могат да се четат "qubits", без да бъдат унищожени, изследователите възприеха техника за коригиране на грешки, която разпространява квантова информация в множество qubits, но - изключително важно - само до най-близкия им съсед.

Предишните техники за коригиране на грешки поставиха qubits в масив и следователно можеха да коригират само за къси преливания или за фаза, но не и за двете. Матричното оформление позволява на qubits да имат повече съседи, което означава, че и двата вида коригиране на грешки могат да се извършват едновременно.

Какво следва?

Квадратният чип е проектиран и произведен с помощта на стандартни техники за производство на силиций и изследователите казват, че те очакват те да могат да покажат ефективна корекция на грешките дори при увеличена версия на чипа, който обработва повече qubits.

Ако това е вярно, тогава основното оставащо препятствие пред практически квантов компютър може да бъде надеждното създаване на свръхпроводящи битове, които имат достатъчно ниски нива на грешки, за да бъде ефективна технологията на IBM.

Авансирането е описано в днешния брой на научното списание Nature Communications .

Източник: IBM

Първият работещ квантов компютър може да бъде много по-близо до реалността благодарение на два важни постижения от изследователи в IBM (Photo: IBM)

Чипът е изработен от силиций, произведен със стандартни производствени методи и мащабируем (Photo: IBM)